[科普中国]-不动点组合子

不动点组合子（英语：Fixed-point combinator，或不动点算子）是计算其他函数的一个不动点的高阶函数。

简介不动点组合子（英语：Fixed-point combinator，或不动点算子）是计算其他函数的一个不动点的高阶函数。

函数f的不动点是将函数应用在输入值 x 时，会传回与输出值相同的值，使得f(x) = x。例如，0 和 1 是函数f(x) = x的不动点，因为 0= 0 而 1= 1。鉴于一阶函数（在简单值比如整数上的函数）的不动点是个一阶值，高阶函数f的不动点是另一个函数g使得f(g) =g。那么，不动点算子fix的定义是x=f\ x。1

使得对于任何函数 f

不动点组合子它们可以用非递归的lambda抽象来定义，在 lambda演算中的函数都是匿名的。然而在命令式编程语言中的递归，或许限制只能以呼叫函数名称作为参数来实作。在函数式编程语言中的不动点，以 lambda抽象来定义的Y组合子为：

则允许匿名函数足够逹成递归的作用，即递归函数。应用于带有一个变量的函数，Y组合子通常不会终止。将Y组合子应用于二或更多个变量的函数，会获得更有趣的结果。第二个变量可当作计数器或索引。由此产生的函数行为，表现出如命令式语言中一个while或for循环。

这个组合子也是 Curry悖论的核心，演示了无型别的 lambda演算是一个不稳固的推论系统，因由Y组合子允许一个匿名表达式来表示零或者甚至许多值，这在数理逻辑上是不一致的。

组合子在无类型lambda演算中众所周知的（可能是最简单的）不动点组合子叫做Y组合子。它是Haskell B. Curry发现的，定义为

Y:= λf.(λx.(f (x x)) λx.(f (x x))) 用一个例子函数g来展开它，我们可以看到上面这个函数是怎么成为一个不动点组合子的：

(Y****g)

= (λf.(λx.(f (x x)) λx.(f (x x)))g)

= (λx.(g(x x)) λx.(g(x x)))（λf的β-归约 - 应用主函数于g）

= (λy.(g(y y)) λx.(g(x x)))（α-转换 - 重命名约束变量）

= (g(λx.(g(x x)) λx.(g(x x))))（λy的β-归约 - 应用左侧函数于右侧函数）

= (g(Y****g))（Y的定义）

注意Y组合子意图用于传名求值策略，因为 (Y****g)在传值设置下会发散（对于任何g）。

存在性在数学的特定形式化中，比如无类型lambda演算和组合演算中，所有表达式都被当作高阶函数。在这些形式化中，不动点组合子的存在性意味着“所有函数都至少有一个不动点”，函数可以有多于一个不同的不动点。

在其他系统中，比如简单类型lambda演算，不能写出有良好类型（well-typed）的不动点组合子。在这些系统中对递归的任何支持都必须明确的增加到语言中。带有扩展的递归类型的简单类型lambda演算，可以写出不动点算子，“有用的”不动点算子（它的应用总是会返回）的类型将是有限制的。2

例如，在Standard ML中Y组合子的传值调用变体有类型∀a.∀b.((a→b)→(a→b))→(a→b)，而传名调用变体有类型∀a.(a→a)→a。传名调用（正规）变体在应用于传值调用的语言的时候将永远循环下去 -- 所有应用Y(f)展开为f(Y(f))。按传值调用语言的要求，到f的参数将接着展开，生成f(f(Y(f)))。这个过程永远重复下去（直到系统耗尽内存），而不会实际上求值f的主体。

例子考虑阶乘函数（使用邱奇数）。平常的递归数学等式

fact(n) = if n=0 then 1 else n *fact(n-1)

可以用lambda演算把这个递归的一个“单一步骤”表达为

F= λf. λx. (ISZERO x) 1 (MULT x (f (PRED x))),

这里的"f"是给阶乘函数的占位参数，用于传递给自身。 函数F进行求值递归公式中的一个单一步骤。 应用fix算子得到

fix(F)(n) =F(fix(F))(n)

fix(F)(n) = λx. (ISZERO x) 1 (MULT x (fix(F) (PRED x)))(n)

fix(F)(n) = (ISZERO n) 1 (MULT n (fix(F) (PRED n)))我们可以简写fix(F)为fact，得到

fact(n) = (ISZERO n) 1 (MULT n (fact(PRED n)))所以我们见到了不动点算子确实把我们的非递归的“阶乘步骤”函数转换成满足预期等式的递归函数。

其他不动点组合子Y组合子的可以在传值调用的应用序求值中使用的变体，由普通Y组合子的部分的η-展开给出：

Z= λf.(λx. f (λy. x x y)) (λx. f (λy. x x y))

Y组合子用SKI-演算表达为

Y= S (K (S I I)) (S (S (K S) K) (K (S I I)))在SK-演算中最简单的组合子由John Tromp发现，它是

Y'= S S K (S (K (S S (S (S S K)))) K)它对应于lambda表达式

Y'= (λx.λy. x y x) (λy.λx. y (x y x))

另一个常见不动点组合子是图灵不动点组合子（阿兰·图灵发现的）:

Θ= (λx.λy.(y (x x y))) (λx.λy.(y (x x y)))它也有一个简单的传值调用形式：

Θ****v= (λx.λy.(y (λz. x x y z))) (λx.λy.(y (λz. x x y z)))

参见组合子逻辑

lambda演算

有类型lambda演算

本词条内容贡献者为:

李宗秀 - 副教授 - 黑龙江财经学院